Il bruciamento delle scorie nucleari: le sfide tecnologiche e i programmi in corso

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1 Il bruciamento delle scorie nucleari: le sfide tecnologiche e i programmi in corso Paolo Pierini INFN Milano LASA Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata Work supported by the EURATOM 6 framework program of the EC, under contract FI6W-CT

2 Sommario Le problematiche del ciclo attuale del combustibile nucleare scorie disponibilità delle risorse La Generation IV, gli ADS e i depositi geologici opportunità di individuare soluzioni miste per raggiungere un ciclo del combustibile nucleare chiuso e sostenibile I programmi europei sugli ADS Le principali problematiche tecnologiche da affrontare Energia per il futuro Paolo Pierini 2

3 fonti essenziali + Deliverable contrattuali programmi CE 5PQ, 6 PQ Energia per il futuro Paolo Pierini 3

4 il problema Cosa fare delle scorie prodotte dai reattori nucleari Scenario Europeo (Dati del 2001, ETWG on ADS): 145 reattori, 125 GWe, Produzione annuale di 850 TWh (circa il 35%) Produzione annuale di 2500 tonnellate di combustibile esausto Produzione annuale 25 tonnellate di Pu Occorre minimizzare il volume e il carico termico dei rifiuti inviati allo stoccaggio geologico Occorre ridurre la radiotossicità delle scorie Pochi paesi hanno iniziato o anche solo approvato la costruzione di un deposito Es. USA: Yucca Mountain in Nevada, già potenzialmente pieno, ma non ancora utilizzato per lo stoccaggio Energia per il futuro Paolo Pierini 4

5 (Yucca Mountain) 150 km Ad oggi (Physics Today, Maggio 2006 p 25): tonnellate in 100 depositi temporanei (39 stati) 2000 tonnellate prodotte ogni anno in USA tonnellate la capacità prevista del deposito (già quasi pieno!) Per il licensing richiesta analisi per sicurezza dopo anni... (dopo che Congresso ha bocciato analisi per ) Energia per il futuro Paolo Pierini 5

6 Partitioning & Transmutation Separazione chimica ad elevata precisione una possibile strategia Separazione del Pu, degli attinidi (MA), e dei frammenti di fissione a lunga vita (LLFF) Assemblaggio delle scorie in nuovi elementi di combustibile Trasmutazione del Pu, MA, FF utilizzati come combustibile in sistemi dedicati (reattori sottocritici con spettro veloce di neutroni, con sorgente esterna per spallazione...ma anche in reattori critici veloci) il resto del combustibile esausto dopo il partitioning e i residui dopo l utilizzo nel trasmutatore possono essere mandati nei depositi geologici strategia sinergica con quella della creazione di depositi geologici, ma di ridotte dimensioni e con requisiti di durata inferiore (licensing!) NON è una strategia che propone di eliminare di depositi geologici Energia per il futuro Paolo Pierini 6

7 Strategia separazione e trasmutazione Energia per il futuro Paolo Pierini 7

8 una possibile soluzione Il sistema per realizzare questa strategia ha bisogno di due ingredienti principali Un reattore sottocritico (k<1), possibilmente con combustibile senza U La reazione a catena non è autosostenuta, necessita di una sorgente esterna a sicurezza intrinseca (si interrompe la sorgente) Una sorgente intensa di neutroni per spallazione Ovvero un fascio intenso di protoni incidente su un bersaglio di metallo (liquido per questioni di densità di potenza) parecchi MW (da 3 a 20, secondo gli scenari) di potenza di fascio sul target di spallazione Fornisce i neutroni mancanti che alimentano la reazione Garantisce uno spettro largo di energia del flusso neutronico (per un efficace tasso di fissione anche sui MA) Energia per il futuro Paolo Pierini 8

9 gli obiettivi della strategia di P&T La radiotossicità del combustibile esausto si riduce a quella del materiale di partenza (uranium ore) dopo periodi superiori a 10 6 anni Per non contaminare la biosfera è necessario sistemarli in depositi geologici profondi che siano stabili per questi tempi Pesante eredità per il futuro Da ETWG Report, 2001 La separazione chimica (Partitioning) e l irraggiamento in un flusso di neutroni veloce e intenso in sistemi ADS (Transmutation) può ridurre questo tempo a anni Energia per il futuro Paolo Pierini 9

10 caratteristiche del fascio di protoni Alta frequenza di ripetizione (meglio, fascio continuo) energia dell ordine di 1 GeV, determinata da rate di produzione dei neutroni, per GeV e per protone saturazione a ~1 GeV energia dissipata nel target di spallazione decresce rapidamente con l energia, per E<qualche GeV potenze di fascio comprese tra qualche MW e qualche decina di MW alcuni MW per un sistema dimostrativo < 100 MWth fino a 30 MW per una scala industriale da ~ 1500 MWth Energia per il futuro Paolo Pierini 10 yield / E p (neutrons/gev) proton energy, E_p (GeV)

11 P&T: concetto non unico Sugli scenari di P&T pesano scelte degli Stati Nazionali per quanto riguarda le politiche nucleari Francia e Giappone considerano il Pu contenuto nelle scorie degli LWR come risorsa da sfruttare Le scorie vengono riprocessate, il Pu separato e mescolato all U per creare combustibile a ossidi misti (MOX) da utilizzare in reattori termici Il rimanente (MA, FP) viene inviato ai depositi geologici Altri paesi (Svezia, USA) considerano tutto il combustibile esausto come scoria, non lo riprocessano e lo inviano ai depositi Strategia mirata alla non proliferazione da parte del ciclo civile di materiale che possa essere utilizzato per armi nucleari Le differenti politiche vengono mantenute anche nell approccio al P&T Energia per il futuro Paolo Pierini 11

12 scorie in reattori critici o ADS? Le scorie possono essere riciclate e trasmutate anche nei reattori critici, senza separare Pu e MA qualche volta negli LWR, poi accumulo TRU nei veloci TRU non si accumulano Gli ADS, che richiedono una sorgente di neutroni esterna, sono più versatili e si prestano a tassi di smaltimento degli attinidi molto più elevati In pratica (semplificando), non dovendo sottostare a condizioni di criticità, in un ADS è possibile far funzionare il reattore con una composizione qualsiasi di combustibile (o quasi), regolando il flusso esterno fornito dall acceleratore per garantire il tasso di trasmutazione Energia per il futuro Paolo Pierini 12

13 sinergia con Gen IV La Generazione IV dei reattori, da iniziare a distribuire commercialmente nel 2030 prevede (tra l altro) una chiusura del ciclo con produzione minima di scorie (che vengono bruciate nel reattore) Energia per il futuro Paolo Pierini 13

14 GEN IV International Forum Missione: Generazione energia Produzione idrogeno Produzione calore Gestione dei MA 6 sistemi candidati 3 reattori veloci 3 reattori termici Sostenibilità produzione sostenibile disponibilità per per lunghi lunghi tempi tempi minimizzazione/gestione scorie scorie Economia competitività con con altri altri sistemi sistemi riduzione rischi rischi finanziari Sicurezza e Affidabilità eccellenza minima minima probabilità danno danno core core elimina elimina procedure emergenza esterne Proliferazione protezione terrorismo controllo materiale utilizzabile per per armi armi Energia per il futuro Paolo Pierini 14

15 Da GIF Report, 2002 il problema delle risorse Il ciclo attuale aperto comunque è problematico non solo per l accumulo delle scorie, ma anche per lo sfruttamento delle risorse (U naturale) Le risorse correnti potrebbero esaurirsi entro il 2030, ulteriori giacimenti da sfruttare potrebbero consentire di prolungare fino a metà secolo circa Energia per il futuro Paolo Pierini 15

16 In GEN IV 6 differenti tipi di reattori convivono simbioticamente, Veloci: Gas (GFR), Piombo (LFR), Sodio (SFR) Termici: Sali fusi (MSR), Supercritici (SCWR), Alta temperatura (VHTR) Differenti specializzazioni ( C) Generazione di energia [SCWR, SFR] Generazione di idrogeno [VHTR] Differenti taglie Grandi: LFR, MSR, SFR, SCWR Medi: GFR, VHTR, SFR Piccoli: LFR Differenti cicli combustibile A singolo passaggio: VHTR Smaltimenti attinidi: gli altri ciclo simbiotico GEN IV Da GIF Report, 2002 Energia per il futuro Paolo Pierini 16

17 smaltimento Pu e MA in GEN IV Nel ciclo GEN IV il Pu non viene separato dagli attinidi (per ovvio rischio di proliferazione), ma entrambi vengono utilizzati per creare elementi di combustibile per i reattori veloci Nei reattori veloci, grazie al differente rapporto tra assorbimento e fissione Maggiore utilizzo dell U Utilizzo di attinidi come combustibile All interno del ciclo simbiotico il sistema è in grado di tollerare dei reattori termici a passaggio singolo, ma con elevata specializzazione I reattori ad alta temperatura VHTR (1000 C) dedicati alla produzione di idrogeno Energia per il futuro Paolo Pierini 17

18 esempio di specializzazione: VHTR Temperatura di uscita C Unica opzione per il raffreddamento Raffreddati a He Gas Problema degli scambiatori di calore Nuovo combustibile Energia per il futuro Paolo Pierini 18

19 ...ma GEN IV offre le prospettive per riavviare un ciclo nucleare maggiormente sostenibile sia dal punto di vista delle risorse che dell impatto in termini di scorie da inviare ai depositi Ma in un mercato sempre più liberalizzato che deve fare fronte alla ECONOMICITA non è detto sia ragionevole ipotizzare che le utility energetiche possano farsi carico dello smaltimento delle scorie risultanti da 50 anni di ciclo a singolo passaggio E possibile cioè che la transizione al nuovo ciclo promesso da GEN IV debba passare attraverso una fase intermedia per lo smaltimento ad-hoc delle scorie accumulate finora Questione dibattuta: quanti anni di transizione? 20 o 100? Energia per il futuro Paolo Pierini 19

20 inoltre Potrebbe quindi essere opportuno disporre di sistemi specializzati, ad-hoc, per il riprocessamento e lo smaltimento delle scorie esistenti, che non interferiscano con le infrastrutture che verranno realizzate per il parco di reattori GEN IV Minimizzando i trasporti di combustibile esausto o scorie, che sono socialmente poco accettati Pochi bruciatori, di tipo ADS, per gestire la fase di transizione ed eventualmente a supporto del nuovo ciclo per una maggiore riduzione dell inventario di scorie da inviare nei depositi geologici Come al solito, non esiste una soluzione unica, la migliore strategia combina tutti gli ingredienti Nuova generazione (veloci e termici), ADS e depositi geologici Energia per il futuro Paolo Pierini 20

21 il ruolo della politica regionale Le scelte politiche nazionali interferiscono pesantemente con la missione di GEN IV strategie di gestione del combustibile esausto e delle scorie grosse differenze nazionali (es. USA, dal 70 con amministrazione Carter nessun riprocessamento) Conseguenza difficile tenere conto dei fattori esterni regolati dalle scelte politiche nazionali in un quadro di economicità oggettivo...the market environment for these systems is not yet well defined, and their required economic performance in the near term will be likely be determined by the governments that deploy them Dal GenIV International Forum Energia per il futuro Paolo Pierini 21

22 il sistema Europa EURATOM è attivo fin dal 5 Programma Quadro (Post- ETWG Rubbia 2001) in programmi dedicati al P&T In FP5 network di programmi, dedicati alle tecnologie per il Partitioning (separazione chimica ad elevata purezza degli attinidi) e la Trasmutazione In FP6 raggruppati in due strumenti: EUROTRANS e EUROPART EUROPART In In Italia Italia attività attivitàmurst ENEA-INFN dal dal al al EUROTRANS Programma TRASCO TRAsmutazione SCOrie SCOrie LASA LASA ruolo ruolo importante Energia per il futuro Paolo Pierini 22

23 31 Enti e industrie 16 Università associate in ENEN EUROTRANS EUROPEAN RESEARCH PROGRAMME FOR THE TRANSMUTATION OF HIGH LEVEL NUCLEAR WASTE IN AN ACCELERATOR DRIVEN SYSTEM nel 6 6 Programma Quadro della CE ( ) 2008) Prosegue il programma PDS-XADS ( ) 2004) del 5 5 PQ sforzo CE origina da programmi nazionali (es. MURST TRASCO e programmi francesi) budget in 4 anni di 42.3 M (23 M da fondi EU)

24 obiettivi di EUROTRANS Procedere verso la definizione di una strategia per una European Transmutation Demonstration (ETD) attraverso la definizione di Un progetto avanzato per una facility sperimentale (da 50 a 100 MWth) per la dimostrazione della fattibilità tecnica della trasmutazione in un ADS (XT-ADS) realizzazione a tempi brevi, circa 10 anni (da definire nel 7 PQ e avviare nell 8 PQ) citazione tra i progetti emergenti della Roadmap ESFRI Un progetto concettuale per una facility europea modulare (da parecchi 100 MWth) per la trasmutazione a livello industriale (EFIT) da realizzarsi a tempi lunghi Energia per il futuro Paolo Pierini 24

25 FP FP Importante contributo Italiano con TRASCO (ENEA, INFN, ANSALDO) XADS (Pb-Bi) 80 MW th 110 W/cm single batch loading Evoluzione del concetto Design Concepts XADS (Gas) 80 MW th 250 W/cm single batch loading MYRRHA (Pb-Bi) 50 MW th < 500 W/cm (peak) multi batch loading Objectives XADS Demonstration of technological feasibility of an ADS system FP European Transmutation Demonstration short-term demonstration long-term demonstration ETD / XT-ADS MW th W/cm (~700 W/cm³) multi batch loading ETD / EFIT Several 100 MW th W/cm ( W/cm³) multi batch loading XT-ADS Short-term Demonstration of transmutation on a sizable scale and of the ADS behaviour EFIT Long-term Transmutation on an industrial scale Energia per il futuro Paolo Pierini 25

26 European Transmutation Demonstration XT-ADS (Prototipo ADS) EFIT (Bruciatore Industriale) Facility di irraggiamento e test bench di EFIT Potenza MWth Bruciatore industriale di scorie Potenza di parecchi 100 MWth keff circa 0.95 keff circa 0.97 Fascio di protoni (ca 1.5 MW): 350 MeV x 5 ma or 600 MeV x 2.5 ma Combustibile convenzionale di tipo MOX Fascio di protoni (ca. 16 MW): 800 MeV x 20 ma Nuovo combustibile ricco di attinidi e privo di uranio Raffreddamento con eutettico Piombo-Bismuto Raffreddato a Piombo (He come soluzione backup) Energia per il futuro Paolo Pierini 26

27 Pb-Bi o Pb? Il Pb ad alte temperature è corrosivo per i materiali strutturali e si verificano problemi di infragilimento tecnologia russa controllo attività ossigeno nei reattori navali LBE Energia per il futuro Paolo Pierini 27

28 5 aree tecniche Progetto dei sistemi ADS e dei loro componenti Working package dedicato all acceleratore Studi sperimentali su Accoppiamento di un acceleratore, un target e di un reattore sottocritico Esperimento Guinevere presso il reattore VENUS di Mol (B) Studio di Combustibili Tecnologie dei metalli liquidi per i trasmutatori Progetto della regione di spallazione senza finestra (di fascio) Dati nucleari per la trasmutazione Energia per il futuro Paolo Pierini 28

29 Progetto dei sistemi: XT-ADS Scopo è quello di sviluppare un progetto per la realizzazione in tempi brevi di una dimostrazione sperimentale della fattibilità tecnica di un sistema ADS (XT-ADS) per la trasmutazione XT-ADS ha obiettivi comunque ambiziosi: il suo sviluppo in tempi brevi impone l utilizzo di combustibile noto (MOX) e operazione a temperature ridotte I tempi richiesti per lo sviluppo di un nuovo combustibile e il suo licensing per reattori commerciali è stimato in anni! Uso dell eutettico Pb-Bi come liquido primario di raffreddamento per abbassare la temperatura del reattore» problemi di corrosione di materiali strutturali in Pb ad alte T richiede l installazione di dispositivi sperimentali per l irraggiamento del combustibile, che influenzano il core del reattore XT-ADS è uno strumento per verificare i componenti degli EFIT e per provarli in un ambiente realistico di irraggiamento neutronico Energia per il futuro Paolo Pierini 29

30 XT-ADS: MYRRHA Il reattore belga BR2 a Mol è stato decommissionato da poco il Belgio vuole costruire una nuova facility per irraggiamento, ad alto flusso neutronico Proposta MYRRHA per candidare Mol per il sito europeo dell XT-ADS Soddisfa tutti i requisiti XT-ADS Combustibile MOX Pb-Bi Target senza finestra M Energia per il futuro Paolo Pierini 30

31 6.55 hole 1.6 fuel pellet cladding coolant combustibile MOX e core UO2-PuO2 MOX of 95 % TD with 30 wt% Pu in heavy metal MOX-2 (CEA proposal) PLUTONIUM Isotope Content wt.% 238 Pu 2,33 URANIUM Isotope Content wt.% 234 U Pu 56, Pu 27, Pu 6, Pu 7, U U U U XT-ADS: 87 SA ( 5 anelli) Pu da combustibile esausto UOX dei PWR: arricchimento iniziale 4.5 wt.% 235 U burnup 45 MWd/kg-iHM, 15 anni di stoccaggio Energia per il futuro Paolo Pierini 31

32 Progetto dei sistemi: EFIT Sviluppo del progetto concettuale per la facility di trasmutazione industriale (EFIT) Sufficientemente dettagliato per consentire una stima parametrica dei costi Caratteristiche minime per EFIT: alte potenze con un design compatto produzione di energia elettrica (generatori vapore) raffreddato a piombo utilizzo di combustibile senza uranio per aumentare lo smaltimento dei transuranici EFIT e XT-ADS condividono le stesse caratteristiche di massima e consentono raffronti di scala Esiste inoltre una soluzione di backup per un EFIT raffreddato a He gas, nel caso Pb si dimostri impraticabile Energia per il futuro Paolo Pierini 32

33 EFIT PUMPS & HX FUEL LOADING SPALLATION TARGET FUEL PUMPS & HX Sviluppato a partire dal design ANSALDO per TRASCO, assunto come base per PDS- XADS Utilizzo di Pb come circuito primario e nel target di spallazione maggiori temperature, se si riescono a risolvere problemi corrosione Energia per il futuro Paolo Pierini 33

34 Smaltimento efficace degli attinidi Obiettivi di progetto EFIT Evitare la produzione di Pu, partendo da combustibile senza U per accettabilità dell opinione pubblica ragioni di proliferazione Parametri di progetto Δ(Massa/Energia prodotta) tasso di smaltimento attinidi di progetto MA 42 kg/twh Pu 0 kg/twh Criterio di ottimizzazione delle dimensioni dell impianto minimo costo per kg di attinidi utilizzati in fissione Energia per il futuro Paolo Pierini 34

35 le specifiche tecnologie per un ADS Rispetto ai reattori veloci di GEN IV, con cui condividono alcune caratteristiche (elevate temperature, problematiche di combustibile, criteri di sicurezza e analisi probabilistiche...), le caratteristiche specifiche degli ADS sono: la dinamica accoppiata del reattore pilotato da una sorgente esterna di neutroni veloci lo spettro di neutroni prodotti per spallazione si estende fino all energia del fascio incidente problematiche di affidabilità dei database di sezioni d urto nucleari nell intero range di energie in gioco (Attività NUDATRA) impatto sulla affidabilità dei programmi per simulare la dinamica del reattore sottocritico Necessità di validazione sperimentale! il target di spallazione la sorgente intensa di protoni (i.e. un acceleratore!) Energia per il futuro Paolo Pierini 35

36 l accoppiamento acceleratore-reattore Una parte del programma prevede l accoppiamento di un reattore veloce di test in Pb (modifiche al reattore VENUS di Mol) con un acceleratore di deutoni per verificare dinamica di un reattore sottocritico a bassa potenza (circa 100 W) pilotato da acceleratore cw in ampio range di parametri (sottocriticità, margini di sicurezza, effetti termici) proseguimento del programma iniziato a Cadarache a P=0 e fascio impulsato (MUSE = MASURCA + GENEPI) determinare sperimentalmente la relazione corrente-potenza (e calibrare simulazioni) investigare la fisica di un reattore veloce in Pb (e diagnostica!) affrontare in un sistema semplificato tutte le tematiche di sicurezza e licensing assieme alle autorità del Belgio, che dovranno poi occuparsi del licensing di XT-ADS GUINEVERE = VENUS + GENEPI Energia per il futuro Paolo Pierini 36

37 Generator of Uninterrupted Intense NEutrons at the lead VEnus REactor GUINEVERE sorgente deutoni a 250 kev Importante prova per verificare le metodologie di controllo dinamico della sottocriticità del sistema Argomento fondamentale per affrontare il licensing di un ADS VENUS verrà riempito di Pb (ora ad acqua) e dotato di un combustibile U metallico arricchito al 30% (circa 1200 kg) Energia per il futuro Paolo Pierini 37

38 Definizione, qualifica e sviluppo per EFIT combustible a base di ossidi privi di U alto contenuto di attinidi raffreddamento in Pb Problematiche Poche proprietà del combustibile sono note Non è noto il comportamento sotto irraggiamento La modellistica non è qualificata (licensing) Lavoro tecnico Modellistica Prove di irraggiamento e misure di proprietà fisiche Pre-selezione del combustibile il combustibile Ossidi composti (Pu, MA, Zr)O2; (Pu, MA)O2 + MgO o Mo Nitride inert matrix fuel: (Pu, MA, Zr)N Energia per il futuro Paolo Pierini 38

39 Il target di spallazione Deve essere accomodato nel centro del nocciolo (al posto delle tre barre centrali) Deve produrre circa neutroni/s per alimentare il k eff =0.95 Deve dissipare MW di deposizione energia dal fascio (XT-ADS) T superficie < 450 C (evaporazione) ΔT global =100 C Flusso LBE l/s (corrosione!) P sopra al target < mbar Vita media compatibile con il reattore (> 1 anno) Energia per il futuro Paolo Pierini 39

40 Fascio Target windowless La finestra di fascio è uno dei componenti più critici di cui garantire l integrità ipotesi di assenza di una finestra fisica tra l ambiente a pressione atmosferica del target e il vuoto della linea di fascio Flusso verticale coassiale confluente di LBE, con zona di ricircolo centrale e formazione di una superficie libera per il fascio Pompe e scambiatori di calore del circuito di spallazione al di sotto del pelo libero e fuori asse rispetto al nocciolo Energia per il futuro Paolo Pierini 40

41 il circuito del target Flusso forzato di LBE Corrosione dei materiali strutturali, ad elevata T Controllo O 2 per inibire la corrosione Pompaggio differenziale tra target (P=1 atm) e vuoto fascio prodotti di spallazione volatili! Formazione plasma per interazione fascio con vapori di LBE Problema della formazione Po da Bi Energia per il futuro Paolo Pierini 41

42 regione di spallazione Flusso LBE ottenuto per gravità Problema termoidraulico e termomeccanico molto complesso (es. trattamento free surface) Neutronica della regione di spallazione per valutare il termine di sorgente e rilascio prodotti nel target Energia per il futuro Paolo Pierini 42

43 esperimenti interfaccia LBE/vuoto Attività TRASCO: realizzazione al LASA (competenze UHV) di un modello della zona di pompaggio differenziale che collega il Pb-Bi bollente alla linea in vuoto tubo di analisi di 2 m con strumenti per la misura della deposizione dei condensabili misura degli sticking factor misura dei tassi di evaporazione in vuoto e delle tensioni di vapore misura evaporazione di componenti disciolti nel Pb-Bi (Te per simulazione Po) Energia per il futuro Paolo Pierini 43

44 l acceleratore di protoni Lo schema concettuale sviluppato con PDS-XADS Scelta di un linac superconduttivo (fascio CW!) Modulare: stesso concetto per XT-ADS o EFIT (E, I) Principali componenti tecnologici già sviluppati (es. TRASCO) Energia per il futuro Paolo Pierini 44

45 uso della tecnologia RF superconduttiva L acceleratore si basa pesantemente sulla tecnologia RF superconduttiva, il cui stato dell arte è avanzato negli ultimi 15 anni grazie alla Collaborazione TESLA (ora in International Linear Collider) Le elevate performance ottenute da TESLA nella produzione e operazione di sistemi acceleranti superconduttivi superano ampiamente i requisiti progettuali per un acceleratore di classe ADS Il LASA partecipa a TESLA e ha fornito componenti per l acceleratore Test Facility fin dai primi anni 90 il convolgimento in TRASCO e in programmi CE deriva da ns. impegno SC-RF Energia per il futuro Paolo Pierini 45

46 Specificità: Affidabilità e disponibilità di fascio Poche interruzioni di fascio per anno gli acceleratori per ADS assenze di fascio più lunghe di 1 s inducono sforzi sul combustibile, sulle strutture interne del reattore e sul vessel Progettazione di componenti e l operazione deve seguire le procedure orientate all affidabilità utilizzata dalla comunità nucleare strong design (sovradimensionamento) pianificazione di ridondanze e capacità di tolleranza ai guasti Modalità di funzionamento ad alta potenza in CW Con la possibilità di microinterruzioni (200 μs) a bassa frequenza di ripetizione per il monitoraggio della sottocriticità Questo è l argomento principale a supporto della scelta superconduttiva, poiché si limitano enormemente le perdite resistive nelle strutture di rame che sono dominanti nelle macchine normalconduttive rispetto alla potenza richiesta dal fascio per l accelerazione Energia per il futuro Paolo Pierini 46

47 la questione della affidabilità Esistono pratiche consolidate volte al raggiungimento di buona affidabilità in sistemi complessi (Reliability Engineering) Ampi margini rispetto ai limiti della tecnologia Componenti ridondanti Procedure e componenti che consentano tolleranza ai guasti Importanza delle ridondanze nei componenti critici Sorgente di protoni, RFQ, stadio di bassa energia Duplicazione dell iniettore! Gestione delle ridondanze naturali nel linac superconduttivo Un linac SC ha un elevato grado di modularità La linea di fascio è una successione di periodi quasi identici Tutti I componenti sono lontani dai limiti tecnologici Un linac superconduttivo consente un ampio margine di tolleranza ai guasti di cavità e magneti E necessari però un sistema di controllo dell RF che ne consenta l implementazione Energia per il futuro Paolo Pierini 47

48 attività sugli acceleratori in EUROTRANS Valutazione sperimentale dell affidabilità dell iniettore di protoni campagne di misure dedicate al CEA su IPHI Scelta dei componenti per l accelerazione nella regione di energia intermedia Confronto tra tre strutture acceleranti Qualificazione di un criomodulo per lo stadio di alta energia a piena potenza e in condizioni nominali di operazione Progettazione e test di un sistema di controllo RF per l implementazione della tolleranza ai guasti Studio della configurazione dell acceleratore con analisi di affidabilità e stime di costi Energia per il futuro Paolo Pierini 48

49 test di affidabilità dell iniettore L iniettore IPHI, sviluppato in Francia dal CEA e CNRS sarà utilizzato, prima dell installazione al CERN, per una campagna di test lunghi per dimostrarne le caratteristiche di affidabilità Sorgente ECR, RFQ e diagnostiche associate Energia per il futuro Paolo Pierini 49

50 iniettore: test lunghi Il fascio di protoni, con energie di 3 MeV, sarà operato per due mesi ininterrottamente con correnti nella regione 20 ma < I < 40 ma Negli anni scorsi la sorgente è stata operata in turni di una settimana sampling 2s run da 162 ore Blu, corrente estratta, 30 ma CW, Stabilità +/- 0.2 ma con feedback sulla potenza RF fascio 30 ma, 95 kev CW Conclusione: - Nessuna interruzione di fascio - 1 scarica dagli elettrodi senza interruzione di fascio Energia per il futuro Paolo Pierini 50

51 strutture RF per le energie intermedie Differenti tipi di strutture sono candidate per la sezione di accelerazione fino a circa 20 MeV. Nel programma vengono sviluppati e caratterizzati prototipi dei seguenti tipi: Strutture DTL in rame del tipo IH senza elementi focalizzanti dentro I drift e con alta efficienza (IBA) Strutture superconduttive di tipo CH (IAP, Francoforte) Cavità di tipo spoke che possono operare da energie molto basse (a partire da circa 5 MeV) e che sono proposte anche per la sezione fino a 100 MeV circa (CNRS) Energia per il futuro Paolo Pierini 51

52 Test di una cavità spoke β=0.15 completamente equipaggiata (accoppiatore fondamentale, sistema di accordo), adattando un vessel esistente per le prove orizzontali criomodulo per le cavità spoke Energia per il futuro Paolo Pierini 52

53 10 10 Q 0 cavità per il linac sopra 100 MeV Z501 Test #1 Z502 E acc =8.5 Q 0 =10 10 Parametri di utilizzo nel linac ben all interno dei limiti della tecnologia Parametri operativi multipacting barriers start of electron emission E acc [MV/m] Due cavità β=0.47 (protoni da 100 a 200 MeV) sono state costruite (Programma TRASCO al LASA), e sono stati sviluppati i componenti ancillari (serbatoio criogenico, sistema accordo, accoppiatore) Energia per il futuro Paolo Pierini 53

54 criomodulo per le cavità TRASCO Nel corso di EUROTRANS il LASA svilupperà e costruirà un modulo, da installare presso il CNRS/IPN di Orsay per le prove in potenza Phase separator Cavity support Cold box connection (interface to cryogenic system) Piping 70 K shield Alignment ports Spaceframe Coupler port (interface to power RF system) Energia per il futuro Paolo Pierini 54

55 compensazione guasti RF il requisito di affidabilità richiede un sistema tollerante ai guasti degli alimentatori RF che alimentano le cavità ampi margini sugli alimentatori adiacenti Necessità di individuare e sviluppare scenari di ripristino da guasti, che siano efficaci e veloci rilevamento dell anomalia comunicazione veloce tra sistemi di controllo a basso livello aggiornamento, calcolo e variazione dei punti di lavoro Sistema di controllo volto ad assicurare stabilità 0.5%-1% in termini di campo e in fase Metodo di compensazione locale Energia per il futuro Paolo Pierini 55

56 progetto dell acceleratore Esiste inoltre un task dedicato al progresso nel progetto concettuale dell acceleratore, che ne verifica l aderenza al progetto e si occupa di: Simulazioni di dinamica di fascio per le differenti proposte simulazioni dalla sorgente alla linea di trasferimento al target per una varietà di opzioni delle strutture di energia intermedia è in corso di implementazione la modellizzazione dei transienti indotti dai guasti dei componenti RF, in termini di effetti delle strategie di controllo sulla stabilità del fascio simulazioni per gli scenari di recupero dei guasti Analisi di affidabilità dell acceleratore utilizzando metodologie standard Stime dei costi Energia per il futuro Paolo Pierini 56

57 Dinamica di fascio in condizioni nominali Norm. rms emittances ( Pi.mm.mrad ) 0,42 0,41 0,4 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,3 TraceWin - CEA/DSM/DAPNIA/SACM Ez Et Ey Ex Adiabaticità dei fasci lungo il linac (5-600 MeV) Deterioramento minimo della qualità del fascio 600 MeV 0,29 0,28 0,27 0, Pos ition ( m ) Energia per il futuro Paolo Pierini 57

58 Analisi standard per l affidabilità eseguite sul disegno concettuale Failure Modes and Effect Analysis (FMEA) per individuare aree critiche con un approccio bottom-up (dai componenti al sistema) Reliability Block Diagram (RBD) per derivare (top-down) stime di affidabilità delle differenti configurazioni, al variare del grado di ridondanza e del livello previsto di tolleranza agli errori Stime di affidabilità se lo stesso numero di componenti, con le stesse caratteristiche di affidabilità, venisse messo in connessione seriale, il sisema avrebbe un MTBF di 30 ore Utilizzo di tool commerciali Mission Time 2190 hours System MTBF hours Number of failures 2.92 Steady State Availability 99.3 % Energia per il futuro Paolo Pierini 58

59 oltre EUROTRANS EUROTRANS 2010? 2015? 2020? Energia per il futuro Paolo Pierini 59

60 conclusioni Gli ADS possono giocare un ruolo importante nella transizione verso un nuovo ciclo di nucleare maggiormente sostenibile e non proliferante Sicuramente per lo smaltimento del pregresso Eventualmente, con GEN IV in azione, con una percentuale di sistemi dedicati alla riduzione veloce e efficace della massa scorie inviate ai depositi geologici coesistenza di varie opzioni GEN IV, ADS e geological storage? Le maggiori attività tecnologiche di R&D per lo sviluppo degli ADS sono affrontate sia con il lavoro per i reattori GEN IV che con i programmi EURATOM Il ruolo delle politiche nazionali e internazionali nella definizione degli scenari futuri è tutt altro che scontato... Energia per il futuro Paolo Pierini 60

61 Summer School FJOH convergenza Prestigiosa scuola annuale organizzata congiuntamente tra il CEA e l FZK Corso del 2007 dedicato alla sostenibilità dell energia nucleare Affronta la gestione delle scorie sia attraverso GEN IV che gli scenari di P&T Riconoscimento della possibilità di una sinergia tra le soluzioni per arrivare a un nuovo ciclo sostenibile e economicamente vantaggioso Energia per il futuro Paolo Pierini 61